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机械技术

涡轮风扇发动机原理

时间:2015-02-04 16:08:27   作者:未知   来源:网络文摘   阅读:1514   评论:0
    燃气涡轮发动机最大的用途是用作飞机发动机,而且航空发动机绝大多数是燃气涡轮发动机,称为航空燃气涡轮发动机,主要有四种类型,涡轮喷气发动机、涡轮风扇发动机、涡轮螺旋桨发动机、涡轮轴发动机,用的最广的是前两种。上一节介绍了涡喷发动机,涡喷发动机耗油大,但超音速飞机必须使用涡喷发动机;在亚音速使用涡喷发动机则经济性差,在亚音速飞行特别是民用航空多用涡扇发动机,本节介绍涡轮风扇发动机,简称涡扇发动机。 

    涡扇发动机包括轴流式压气机、环形燃烧室(或环管燃烧室)、轴流式涡轮组成的核心机与风扇组成,风扇由核心机带动。本节通过一个涡扇发动机模型来说明基本结构与简单原理,模型仅由主要部件组成,静叶不显示;润滑系统、启动系统等附属系统示意性显示;模型各部件比例未与任何实际发动机相同,模型仅作基本结构与原理演示。

    涡扇发动机的推力来自两个方面:一部分是核心机喷出的燃气产生推力;更多的是风扇旋转产生推力。由于风扇只能运行在低转速,压气机需要较高转速,于是有二转子或三转子涡扇发动机。

图1是涡扇发动机模型的转子,是由三个转子组成的三转子结构:高压涡轮(1级)与高压压气机(6级)同轴,共同构成高压转子,见剖面图中红色部分;中压涡轮(1级)与中压压气机(4级)同轴,共同构成中压转子,见剖面图中黄色部分;低压涡轮(2级)与风扇同轴,共同构成低压转子,见剖面图中蓝色部分。三个转子轴线重合,低压转子轴在中心,中压转子轴是管状,套在低压转子轴上,高压转子轴也是管状,套在中压转子轴上。三个转子轴间有空隙,不直接接触,安装在各自的轴承上,轴承固定在轴承机匣上,见剖面图中绿色部分。 

    三个转子各自运行在最佳转速,高压压气机运行在高转速,中压压气机转速一般比高压压气机略低些,风扇运行在低转速,压气机分两段不同转速可用较少级数达到较高的压缩比。

涡轮风扇发动机原理

图1--3转子结构示意图

    图2是3转子涡扇发动机结构示意图,其中心部分与普通涡轮发动机一样,本模型采用环形燃烧室,只是转子为3转子结构。在低压转子前端头是风扇,在风扇外周是风扇包容机匣,用来保护风扇与安装附件装置,风扇静子叶片可对风扇后的气流进行整流。

涡轮风扇发动机原理

图2--3转子涡扇发动机结构图

    图3是3转子涡扇发动机工作区划分与气流走向图。一部分空气经过风扇进入压气机,经过燃烧室、涡轮从喷管喷出,这部分称为内涵气流;大部分空气经过风扇从核心机外壳的外环流过,称为外涵气流,外涵气流与内涵气流流量(质量)之比称为涵道比,本模型属大涵道比涡扇发动机。 

    内涵气流经过风扇与中压压气机与高压压气机得到较高的气压(增压比达24以上)。图中白色箭头线是在压气机内气流走向。在燃烧室升温膨胀得到很高的速度喷向涡轮机,第一级涡轮以很高转速带动高压压气机旋转,第二级涡轮以低一些的转速带动中压压气机旋转,第三、四级涡轮以较低转速带动风扇旋转,图中橙红色箭头线是在燃烧室经过涡轮的气流走向。外涵气流由风扇推动产生,图中浅蓝色箭头线是外涵气流走向。

涡轮风扇发动机原理

图3--3转子涡扇发动机工作气流图

    图4是安装在机翼下的涡扇发动机,图中橙红色箭头线是内涵气流走向,白色箭头线是外涵气流走向,外涵气流与内涵气流的动能一起产生发动机的推力。

涡轮风扇发动机原理

图4--安装在机翼下的涡扇发动机

    涡扇发动机广泛用在民航客机、货运机,军用运输机、轰炸机等大型飞机。

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